背景:

        法雷奥是一家汽车零部件供应商，与世界各地众多汽车制造商合作，法雷奥拥有各种品牌的雨刷器，设计美观、高效且易于适应所有车辆。

挑战：

• 如何实现与测试关联的仿真流程

• 避免在雨雪冰冻条件下进行测试

• 改进电机以减轻重量并优化系统性能

• 扩展包括控制在内的仿真流程

关键因素：

• 采用Simcenter 3D Motion，将机构和有限元相结合

• 包含柔性体的电机精确建模

• 系统级仿真

结果：

• 提升仿真精度

• 降低物理样机成本

• 提升产品声誉

使用Simcenter 3D预测雨刮器性能

        雨刮器要确保在任何速度和任何情况下都能保持挡风玻璃能见度，从而有助于驾驶员的安全驾驶。它们通过来回移动，有效地去除水、雪和灰尘。尽管存在设计变化，但大多数雨刮器系统都是将电机与涡轮齿轮结合起来，通过连接将电机的输出转换为雨刮器运动。这个过程看起来很简单，但实际上比较复杂。

        雨刮器叶片需要完美贴合挡风玻璃的形状，并且必须在各种操作条件下无数次重复相同的动作。大雨环境下可能需要很大的加速度，这需要电机产生比较大的驱动力矩。传感器用于检测要去除的水量，保证擦拭动作完成后，叶片回到驻车位置。

        “在确定我们雨刮器系统的尺寸时，两种载荷工况至关重要：雪载荷以及冰冻条件下雨刮叶片被冻结在挡风玻璃上。”法雷奥雨刷系统仿真经理Christophe Joly说：“测试这些工况需要繁琐的设置并且耗费了我们大量的时间，特别是当我们需要在多个物理样机中重复这一过程。因此，通过仿真预测、优化这些性能非常重要的。这可以大大减少实验室的工作量。”

Simcenter 3D Motion构建雨刮器机构动力学模型

Simcenter 3D Motion接触斑点分析

        Simcenter 3D Motion能够对雨刷片以不同角度停滞负载工况进行真实载荷预测。由于仿真结果与评估期间的测量数据相吻合，法雷奥采用该软件作为日常产品开发工具。

        “Simcenter 3D Motion是系统级的仿真工具，因此，它在雨刷部门的每个项目中都被使用。它还被用于验证电机是否足以在极端情况下工作。在几天内，我们就可以完成所有的计算，并得到一份关于整个雨刷系统的完整详细报告。” 法雷奥雨刷系统仿真经理Christophe Joly评价道

        在评估过程中，法雷奥工程师创建了两个不同的虚拟雨刷系统，将机构的动力学模型与柔性部件的有限元模型相结合。仿真结果与实际物理样机上力和扭矩传感器的测量结果进行了比较。Christophe Joly说：“无论是在雪荷载工况下的峰值，还是在冰封情况下的平衡荷载，两者之间的差异都保持在20%以下。”“当考虑到实验值的离散时，差距变得更小。此外，我们还可以研究失速角，这对我们来说是全新的。该软件允许法雷奥工程师最终部署一种标准的方法来进行真实的机构模拟。”

        “以前，载荷通常是由经验定义的，我们使用静态方法。这并不一定是正确的，” Christophe Joly说道。“使用Simcenter 3D Motion，我们可以真正模拟在物理实验室中所做的事情，考虑真实的电机，系统刚度值，温度等。我们花在仿真上的时间比例和以前一样。但在这段时间内，我们获得了更高质量的结果。现在可以对我们的仿真结果更有信心，并将其用于预测产品性能，减少了我们对物理样机的需求。这正是我们的客户想要的。”

        由于减少了对物理样机的需求，法雷奥的工程师们也对这种新的流程印象深刻。新的软件模块无缝集成于法雷奥的标准设计环境，使得仿真模型的创建更为便捷。最重要的是Simcenter 3D Motion求解器运行得非常快，结合其求解精度，大大减少了所需的物理样机数量。

构建完整的机电一体化仿真解决方案

        除了机械系统的尺寸，Simcenter 3D Motion仿真技术也可以处理电机设计和整体细化。法雷奥的工程师目前正在研究这方面的能力。在第一阶段，Simcenter 3D Motion可以用来创建刚体电机模型，确定关节中的载荷，检查齿轮部件之间的接触，并提取载荷以确定齿轮箱的尺寸。然后用有限元的方式创建柔性部件代替齿轮箱进行动态多体仿真。基于该流程，研究齿轮箱的应力和变形。

Simcenter 3D Motion雨刮器载荷计算

        更为重要的是，这个模型可以扩展柔性的摆臂和雨刷叶片。这样就可以研究如何减少材料的使用，检查零件刚度对角度的影响，在其安装到挡风玻璃之前定义目标特征频率以及修改电磁输入。法雷奥工程师希望利用这些基于仿真的流程来促进机械和电机团队之间的合作。在同样的背景下，法雷奥还专注于Simcenter 3D Motion和MathWorks的MATLAB之间的机电联合仿真，以解决机电一体化的挑战。

Simcenter 3D Motion雨刮器刚柔耦合仿真

        “如果我们想达到尽可能高的精度，我们需要包括电机的真实性能，” Christophe Joly说。“如果我们必须等到电机团队提供所有参数，这将推迟研发进程。联合仿真可以在电机样机可用之前进行计算，从而提高开发早期仿真结果的准确性，并在团队之间进行更多的信息交流。”

        “Simcenter 3D Motion和MATLAB Simulink之间的联合仿真是我们正在寻找的技术类型，” Christophe Joly总结道。“这将使机械团队能够做出更好的仿真结果，而电机团队可以在项目早期获得更多的整体性能数据。这一流程将帮助我们更好地了解我们产品的性能，并在未来节省大量的开发时间。”